【導讀】在工業(yè)處理的各個領域得到了越來越廣泛的應用。工業(yè)生產(chǎn)中，管道結垢普遍。存在，它影響生產(chǎn)，浪費能源，己成為造成管道報廢的主要原因。方法成本高，勞動強度大，污染比較嚴重。近年來為了提高除垢的效率人們正。在不斷探索新的除垢方法，超聲波除垢正是在這種背景下發(fā)展起來的。應等物理特性，通過改變水的物理結構，達到防垢、除垢的效果。能、免拆卸、無污染、使用簡單方便等特點。目前的超聲波除垢己經(jīng)得到了廣?；铑I域拓展，超聲波除垢已經(jīng)成為超聲的一項重要技術。針對傳統(tǒng)的除垢方法不能在線除垢的問題，提出。本設計是以STC12C2052AD單片機。電路部分及軟件部分進行了解釋和分析。

　　

【正文】 濾波， IGBT 正常工作；斷電時繼電器的常閉觸點會閉合，電容會通過電阻進行放電，也就不會沖擊 IGBT，造成它的損壞。 xx 大學學士學位論文 16 IGBT 及其保護電路 在這里電路選擇使用了絕緣柵型雙極晶體管 (IGBT),IGBT是八十年代初出現(xiàn)的一種新型半導體功率器件，其電壓控制輸入特性伴隨低阻通態(tài)輸出特性，可以在眾多領域替代 GTR和功率 MOSFET等器件 [22]。另外 IGBT還具有 MOSFET的高輸入阻抗，電壓驅動，無二次擊穿，安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，成為功率器件中強有力的競爭者。目前 IGBT在國際上從軍用如導彈、航天、衛(wèi)星等到民用如汽車、電機驅動、焊機、 UPS電源和通訊電源、家用電器等領域的應用己經(jīng)較為廣泛，它的制造和應用技術也較為成熟。目前國際上一些半導體公司相繼開發(fā)了第四代、第五代的 IGBT，其特征主要表現(xiàn)在 低的通態(tài)電壓、短的關斷時間、低損耗、高頻率、無閉鎖等。 1. IGBT的基本結構 IGBT是從功率 MOSFET發(fā)展而來的，是 MOS管與雙極型晶體管的復合器件。 IGBT的結構剖面圖示于圖 34,IGBT是在功率 MOSFET的基礎上增加了一個P+層發(fā)射極，形成 PN結 J1，并由此引出集電極。門極和射極則完全與 MOSFET的柵極和源極相似。為提高 IGBT的性能，通常在 N基區(qū)增加一個 N+緩沖層，有N+緩沖層的 IGBT稱為穿通型結構 (PT)，其反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關斷時間短，關斷尾部電流小。無 N+緩沖層的 IGBT稱為非穿通型結構 (NPT)，它具有對稱的正反向阻斷能力，但其它特性如正向通態(tài)壓降，關斷時間，防閉鎖能力等，都不及穿通型 IGBT[21]。 圖 34 IGBT等效電路圖 由圖 34可以看出， IGBT相當于一個由 MOSFET驅動的厚基區(qū) GTR，其簡化等效電路如圖 34。圖中電阻 Rd是厚基區(qū) BJT基區(qū)內的擴展電阻。 IGBT是以BJT為主導元件、 MOSFET為驅動元件的達林頓器件。圖示器件為 N溝道IGBT,MOSFET為 N溝道型， BJT為 PNP型 [30]。 2. IGBT的工作原理 IGBT的開通與關斷是由柵極電壓來控制的。柵極施以正電壓時， MOSFET內形成溝道，并為 PNP晶體管提供基極電流，從而使 IGBT導通。此時從 P+區(qū)注 xx 大學學士學位論文 17 入到 N區(qū)的空穴對 N區(qū)進行電導調制，減少 N區(qū)的電阻 Rd，使高耐壓的 IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負電壓時， MOSFET內的溝遭消失， PNP晶體管的基極電流被切斷， IGBT即被切斷 [23]。 3. IGBT柵極驅動電壓幅值 IGBT為電壓控制器件 ,從其電氣特性圖 35(b)可知 ,當 UGEUGE(th)(UGE(th),為閉值電壓 )時， IGBT即可開通，一般情況下 UGE(m)=56V。由圖 35(a)可知，當UGE增加時，通態(tài)電壓 UCE減小，通態(tài)損耗減小， IGBT承受短路電流能力減??；當 UGE太大時，可能會引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。所以，在實際應用中應折中考慮柵極電壓的選取，為獲得通態(tài)壓降小，同時 IGBT又具有較好的承受短路電流的能力， UGE應折中取 1215V為宜。在需要 IGBT關斷期間，為提高 IGBT的抗干擾能力及承受 di/dt上升率能力 (其中 i為電流， t為時間 )，保證其可靠地關斷，最好給柵射極間加 5l0V的負偏壓，過大的反向偏壓會造成 IGBT柵射極反向擊穿。 圖 35 IGBT電氣特性圖 4. IGBT的保護電路 IGBT 的柵極－發(fā)射極驅動電壓 VGE 的保證值為177。 20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓 ,則可能會損壞 IGBT， 因此，在 IGBT 的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。另外 ,若 IGBT 的柵極與發(fā)射極間開路 ,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓 ,則隨著集電極電位的變化 ,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在 ,使得柵極電位升高 ,集電極－發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處 于高壓狀態(tài)時 ,可能會使 IGBT 發(fā)熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開 ,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則 IGBT 就可能會損壞。為防止此類情況發(fā)生，應在 IGBT 的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十千歐的電阻 ,此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極 [24]。如下 圖36。 xx 大學學士學位論文 18 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itl eN u m be r R ev i s io nS iz eBD at e: 1 8 J u n 2 0 09 S he e t o f F ile : C :\D o cu m en ts a n d S e tt in gs \A d m in is tra to r\桌面 \B ac k up of S he e t1 .D D BD ra w n B y:CEG 圖 36 柵極保護電路 驅動電路的設計 IGBT 驅動是整個系統(tǒng)比較關鍵的地方，驅動電路的性能，直接影響系統(tǒng)的復雜程序與易用性。目前常用兩種 IGBT 驅動電路，一種是 EXB841，一種是M57962L。由于本系統(tǒng)使用的是三菱 公司 IGBT，而 M57962L 是三菱公司針對其 IGBT 產(chǎn)品推出的驅動電路，其兼容性方面要比 EXB841 來驅動要好。另外經(jīng)過實際實驗， M57962L 的可靠性相對比較好。 絕 緣柵雙極晶體管 IGBT是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管 GTR和功率場效應管 MOSFET的優(yōu)點于一身，具有易于驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高 (1040KHZ)的特點，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應用于小體積、高效率的變頻電源、電機調速、 UPS及逆變焊機當中。 為了保證 IGBT能可靠快速 關斷，提高驅動功率是必要的，這樣也可提高系統(tǒng)的快速性、安全性。圖 37是自行設計的一個簡單的功率放大電路，可以起到良好的放大效果，能滿足系統(tǒng)的要求。該電路的主要工作原理是當高速光耦 U1導通時，三極管 Q1關斷，而三極管 Q2導通，所以致使 Q5和 Q6關斷，同時引發(fā)Q3和 Q4導通，使得 IGBT導通；反之，當光耦關斷時，三極管 Q1導通，而 Q2關斷，使得 Q Q4關斷，同時 Q5和 Q6導通，則使 IGBT關斷。 12456U1R1R2R 1 0R7R6R5R3 R4R8R9R 1 2R 1 1R 1 4R 1 3R 1 5C1C4C2C3Q3 Q4Q1Q2Q5 Q6D3D2D1D4GEBECI G B TCG NDG NDV C C 圖 37 驅動電路 xx 大學學士學位論文 19 驅動電路的設計原則 IGBT的驅動電路的設計對電力電子設備的效率、可靠性、壽命 都有重要的影響，因此對驅動電路的設計也要遵從一定的設計規(guī)則才可以滿足各項要求。驅動電路的結構設計框圖如下圖 38所示： IGBT驅動電路有以下要求： 1. 由于是容性輸出輸出阻抗；因此 IGBT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。 2. 用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓 UGS有足夠陡峭的前、后沿，使 IGBT的開關損耗盡量小。另外， IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使 IGBT不至退出飽和而損壞。 3. 門極電路中的正 偏壓應為 +12～ +15V；負偏壓應為 2V～ 10V。 4. IGBT驅動電路中的電阻 RG對工作性能有較大的影響， RG較大，有利于抑制 IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加 IGBT的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使 IGBT誤導通或損壞。 RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及 IGBT的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的 IGBT其 RG值較大。 5. 驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對 IGBT的自保護功能。 IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未 采取適當?shù)姆漓o電措施情況下 ,IGBT的 G～ E極之間不能為開路 [24]。 頻 率 信 號 光 電 耦 合 器 通 斷 電 路I G B T電 壓 電 路輸 出 圖 38 驅動電路設計框圖 光電耦合器 這里的驅動電壓采用光電耦合器提供 200ms甚至更高快的開關時間，最大低電平輸出電壓為 。絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的柵極必須以穩(wěn)定的開關驅動電壓推動，并需要相對較高的電流水平，以便在導通和斷開之間快速切換，這個高電流主要用來進行柵源級以及柵漏極之間電容的快速的充放電。 xx 大學學士學位論文 20 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 9 J u n 2 0 09 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設計 \ y i n .d db D ra w n B y:12456H 1 1L 1 圖 39 光電耦合器 控制電路 R S TR X D / P 3 . 0TX D / P 3 . 1X TA L2X TA L1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3EC I / T0 / P 3 . 4P W M 1 / T1 / P 3 . 5GND P 3 . 7 / P W M 0P 1 . 0 / A D C 0P 1 . 1 / A D C 1P 1 . 2 / A D C 2P 1 . 3 / A D C 3P 1 . 4 / S S / A D C 4P 1 . 5 / M O S I / A D C 5P 1 . 6 / M I S O / A D C 6P 1 . 7 / S C LK / A D C 7V C CS T C 1 2 C 2 0 5 2 A DY1C1C2GND+C3R2V C CGNDR1S1V C CGNDR X DTX DS C LKM I S OM O S ISSA D C I N 0O U T1O U T2S W 1S W 2FVDDVDD+ 1 5 V+ 1 5 VS G N DC5S G N DR5R3R4VDDS G N DC6C4C7 C8A D J 3ADJR6+V2V1S Y N C3V S S12VC13VD15CT5RT6D I S C7C S S8C O M P9SD10V r e f16O S C4O U TA11O U TB14S G 3 5 2 5R8S G N DS G N DVDDC 1 0C9FR 1 0O U TBR 1 2D L 2R 1 1S G N DR7R9D L 1S G N DS G N DV C CS G N DVDD S G N DA D J 1A D J 2 圖 310 控制電路 xx 大學學士學位論文 21 控 制電路主要 由 STC12C2052AD 和 SG3525 組成 。 STC12C2052AD 是完全兼容 8051 的一種芯片，并且自帶八通道八位 A/D 轉換，同時具有高抗干擾性的特點；同時該芯片具有在線系統(tǒng)可編程 ISP 特點，它的好處就是省去了編程器，可以在線下載 /燒錄程序，節(jié)省了開發(fā)時間并且更經(jīng)濟?？刂齐娐方Y構圖如下圖 311 所示。 驅 動 電 路采 樣 電 路單 片 機S T C 1 2 C 2 0 5 2 A D電 源 電 路 圖 311 控制電路框圖 控制電路主要通過 STC12C2052AD 控制 SG3525 來實現(xiàn)輸出 PWM。如圖310 所示 ， 當 SG3525 的 10 腳接低電平時， SG3525 正常輸出；當 10 腳接高電平時， SG3525 的輸出端禁止。通過 控制 SG3525 的 10 腳來控制輸出 PWM，這樣就能控制 IGBT 關斷以達到控制超聲波振蕩器除垢目地。由于 SG3525 本身可以輸出一定頻率的 PWM 波，通過調整電位器 ADJ3 就可以調整輸出 PW